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1、眈I通用机械 &c h e t ll jc n Hn d H q 旦用柳赫 j x _ n e t 2 0 O 9 年 第9 期 新氢压缩机填料密封的研究 中国石油大庆炼化公司润滑油厂 ( 黑龙江1 6 3 4 1 1 ) 张晓华 【 摘 要】讲述了石油化工装置中 新氢压缩机填料的密封结构与原理，分析了影响压缩 机填料泄漏的原因。 I 关键词l压缩机填料密封泄漏 一 、前言 在石油化工装置的众多设备中， 新氢压缩机是装置的核心关键设备 ( 如图1 )。本装置 新氢压缩机K 一5 1 0 0 引进于意大利新比隆公司，型号4 H D 3 ，为四缸三级压缩，即两个一级 气缸，二级和三级各一个气缸，
2、机身设置为对称平衡型。功率9 4 0 k w，转速3 2 8 m i n ，冲程 2 8 0 m m，操作压力可从1 1 MP a 压缩至1 4 5 MP a 左右，介质是氢气，其中含有少量杂质来源 干工艺过程。 图1新氢压缩机 = 气缸的设计 装置的可靠性依赖于压缩机的设计、运行和维护。这些影响着设备和所有相关部件的 性能，包括气缸、活塞环、填料和气阀，它们都是压缩机上具有代表性的重要部件。 对于加氢工艺来说，由于低相对分子质量气体的存在和流量控制的要求，使运行中的 问题更加严峻。 在设计期间 ，要有一套模拟系统 ，注重于模拟压 缩机的工作状态和性能，并且把机械状态和效率的最优 化作为 目标
3、。 对于氢气应用来说 ，密封件、填料和气阀的设计 应该经受住来 自 于环境和动力方面的运行条件。 填料应该根据运行压力、腐蚀和气体的洁净程度 来设计。特别要注意承受疲劳应力的部件 ，如阀片和弹 簧。 与其他典型重载应用相比，阀片升程降低 ，气体 流速增加。 对于氢气的密封是很困难的，要用足够数量和适 当类型的密封件。氢气的膨胀产生很高的温度，一旦活 塞内部泄漏，就会从一个影响到另一个。考虑到这些 影响和许多设备在实际运行 中的经验，AP I 6 1 8 标准要 求，每一级排气温度设计的极限是1 5 0 1 3 5 。 三、密封结构 填料是用来密封气缸与活塞杆之间的间隙，并通 过阻塞和节流的作用
4、来实现密封。新氢压缩机活塞杆填 料( 以三级填料密封为例) 密封的是压力可达到l 4 5 MP a 左右的氢气 ，微油润滑 ，填料密封 由多组密封元件组 成，主要包括阻流环、密封环、填料盒、注油系统、冷 却系统、尾气密封和漏气回收装置等。 填料的结构要根据气缸的最终压力来设计 。对于 第三级来说 ，就要求有一个非常严格的结构 ，如图2 所 示 ，其中阻流环是一个直切 口的三瓣铜环 ；密封环由6 组元件组成的，每组包括一个直切 口的三瓣铜环和一个 斜切 口的三瓣填充聚四氟乙烯环；尾气密封环 由2 组斜 切 口的三瓣填充聚四氟乙烯环组成 ， 每组包括两个密封 环。填料是由一些装有密封件的填料环组成
5、的。填料盒 之间是金属与金属的直接接触密封，其表面为平面。特 别是在低相对分子质量气体存在的情况下，要采用特殊 研磨处理，并通过两根螺栓将1 2 个填料盒紧固在一起。 填料函还有冷却系统 ，通过0形环对水和油进行密封。 每组密封环均耐热、耐压和耐磨，低压侧的三瓣直 口铜 环和高压侧的三瓣斜 口填充聚四氟乙烯环之间通过定位 销确定相互位置，使两密封环各切 口相互错开一定角 度，形成有效密封。填料环要按照一定的要求和顺序装 填在填料函的腔内。在最后两组尾气密封环中通人低压 石油 化I通用机械l 、 6 l n P 融 r ( n c u mc h c m c l | H d H s t r l 氮
6、气，对少量泄漏的易燃易爆的氢气进行保护，防止氢 气泄漏到外面和进入机体。最终泄漏的气体排入密闭的 放空系统中进行回收。 L _ 7 _ J 。 。 。 。 ( ) | I I L | 图2填料函结构图 1 尾气密封环 2 密封环 3 阻流环 压缩机在工作时，气缸内气体压力在6 5 l 4 5 MP a 之间频繁波动，与低压侧始终保持很大的压差，这样在 气缸和填料函内由于存在压差就会产生气流，气流从高 压处向低压处流动有两个通道，一个是沿着活塞杆表 面 ，另一个是填料环与填料函之间的间隙。 四 密封原理 填料随活塞杆的运动而运动，因此压缩机的填料 密封属于动密封。 氢气在气缸内经活塞压缩后 ，高
7、压气体首先经过 填料函组件的第1 道阻流铜环，节流降压 ，然后进入密 封环 。 在每组密封环中的两个填料环都是由弹簧提供径 向力对活塞杆表面产生预紧，使填料环与活塞杆表面紧 密接触。 压缩机在工作时，从气缸来的高压气体沿着密封 环的径向切 口 进入填料环与环槽即填料函之间的侧隙， 并充满背隙空间。同时，背隙中的气体压力又作用于填 料环的背面 ， 加强了填料环，填料环与活塞杆之间的密 封，如图3 。 今 密封面 气体压力 图3 填料环密封原理图 ： 4 5 2o09 年 第 9期w m v x _ I l e t r u 流向一 气 填料环与活塞杆之间的密封是密封的关键，如果 此处不能形成正常密
8、封，填料环与活塞杆接触面之间出 现间隙，高压氢气就会直接从间隙处流出，导致填料环 背侧压力无法建立，影响密封效果。每组密封环中的铜 环起到阻流与支撑斜口环的作用。 密封环外圈的弹簧预紧力与环背侧气体压力相比 很小，当气体压力低或不存在时 ，后者是帮助前者加强 密封的。 如果弹簧的预紧力消失，那么填料环与活塞杆之 间就会出现间隙，高压气体可以直接从活塞杆与填料环 之间的间隙短路泄出，填料环背压不能建立，导致压缩 机填料密封失效。 由于填料环存在开 口泄漏，以及气缸与活塞杆、 密封环间的间隙，都会造成气体泄漏，因此利用一道密 封环不可能阻止泄漏发生。 装置新氢压缩机的三级填料密封采用 了六组密封
9、组件，形成一个串联节流系统。高压气体流经每组密封 环时会产生一次节流，气体先节流，然后膨胀，当气体 从填料环与活塞杆之间的间隙进入填料盒腔体的过程 中， 根据能量守恒原理，高压气体经过间隙时，动能增 加 ，压头降低，在进入下一级填料函时，截面突然扩 大，气体在腔内形成强烈的漩涡，大部分动能再转换成 热能，总压头下降。来自气缸的高压氢气经阻流环节流 降压后，再经六组填料环密封减压，压力逐渐降低，泄 漏量在05 0 k g h 之间，从而达到防止高压氢气泄漏的 目的 。 G棚 通用胡黼 mmr x n e t 2 o 0 9 年 第9 期 五、操作与维修 在冬季时，润滑油装置置于室内，便于进行操作
10、 和维修工作。这些压缩机从l 9 9 9 年1 0 月开始运行，并制 定了结合预见性和预防性策略的全面车间维修计划，至 今运行效果良好。 控制室的操作人员通过仪表在线检测压缩机的各 个重要参数，例如压缩机的出入 口温度、压力、填料温 度和轴承温度等。 在操作人员的巡检过程中，由红外设备周期性的 来检测气阀表面温度与填料漏气管处温度等。 在操作中，如果零部件出现问题，会对其进行维 修。当故障不能保证可以运行至下一个周期时，会在计 划好的检修期间处理存在的问题。 如果操作条件稳定，很容易观察到发生的变化并 确定产生问题的原因。 每一级最终温度升高表 明了有异常现象发生，而 温度升高是由内部气体回流
11、所致，从一级影响到另一级 甚至影响气阀 ( 进气阀和排气阀阀盖的高温度)。在多 级压缩情况下，级间的不同压力可以作为进一步的参数 来确定问题的原因。 通过这种方式，可以预见密封问题和气阀维护间 隔时间，在合适的时间，与其他维修工作相结合来更换 存在问题的零部件，从而减少装置停车的时间。 气阀的维修是更换内部零件 ( 阀片和弹簧)，就像维 修填料一样，由专业的人员 和公司来进行有效的维修。 械 h圣 祝 洹 工 “ 糟 石 在填料环或其他零部件上的蚀斑表明介质里混入 了其他粒子，而且一些腐蚀结果还可以证明有氯化物或 其他元素存在。 六 影响填料密封的因素 往复式压缩机的填料密封是压缩机的重要组成
12、部 件之一，在生产实际操作中，很多因素会对填料密封产 生影响，现将主要因素分析如下。 1 腐蚀问题 新氢压缩机的工作介质是氢气，纯度要求很高。 来 自甲醇厂P s A 装置的氢气源经常波动，因此装置曾经 使用过重整加氢的氢气，由于重整来的氢气纯度低，对 填料环和活塞杆产生腐蚀，影响密封效果。在检修过程 中发现，受到氢气纯度的影响，活塞杆表面发生腐蚀， 填料环的密封面也严重受到损坏。在重整氢的工况下， 压缩机高压高频次往复运动，极易造成压缩机填料密封 迅速失效。 2 疲劳破坏 装置新氢压缩机活塞杆填料在工作状态下，承受 着1 4 5 MP a 左右的压力，另外，在操作过程中每完成一 次吸气和排气
13、的工作循环 ，活塞在每秒钟要往复运动 5 5 次，气体压力在6 5 1 4 5 MP a 之间频繁波动，从而 使填料函中填料环密封面处直接承受一个 巨 大的脉动压 力。这样在每个循环过程中就使填料函密封面产生非常 大的交变应力，使填料函和活塞杆之间产生很大的疲劳 应力，影响填料的寿命。 3 润滑油的影响 新氢压缩机的填料密封采用的是微油润滑。通过 注油器向填料 函中的填料密封面处输送高黏度的润滑 油。在正常操作时，填料函内各密封元件和活塞杆之间 形成的间隙空间充满了润滑油，并在活塞杆和填料表面 形成一定厚度的油膜 ，润滑油应很好地附着在滑动表面 并且有较高的黏度 ，以便于维持填料密封面独立的油
14、 膜，并确保油膜的的黏附力大于填料与活塞杆的混合摩 擦力。在高压和较高温度的条件下，润滑油的质量和数 量是影响填料使用寿命的重要因素。 4 其他因素 此外 ，还有其他一些影响填料寿命的因素，如填 料盒连接螺栓是否紧固，活塞杆的运动轨迹是否与中心 线同心，填料环的预紧力大小，填料盒组装顺序是否合 理以及填料环的轴向、侧向间隙等因素均影响压缩机填 料的密封效果。 综上多种因素的影响，当压缩机填料密封磨损到 一定程度 ，填料的密封条件被破坏，原来由填料函内气 体压力维持密封填料环抱紧活塞杆的作用力消失，径向 接触比压和轴向接触比压达不到密封要求 ，填料密封环 的跟随性效果变差 ，最终导致压缩机填料密
15、封泄漏。 七 预防措施 在 日常工作中，要加强对压缩机的巡检，注意填 料远传温度和现场填料尾气排放管的温度变化 ，如果发 现异常，要立即采取措施，以防止高压氢气泄漏产生恶 性事故。 1 保证介质纯度 压缩机在运行期 间，定期对氢气源采样进行化验 分析，保证氢气纯度，减少由于氢气源中腐蚀性气体的 存在影响压缩机填料的密封寿命。 2 减少脉动 为了在一 定程 度上 消除压缩机 的脉动压 力及影 响，压缩机出入 口管线处都安装有缓冲罐，气缸为双作 用，从而消除部分脉动压力，保证气体流动的连续性。 每次检修时应采用着色方法对密封表面进行检查，发现 疲劳破坏或裂痕时应及时修复或更换填料密封环。在对 密封
16、面进行修复和研磨时，要保证填料密封环与活塞杆 表面的接触有不少于7 0 的贴合面积。 3 润滑油 为保证活塞杆和填料 函之间的良好润滑 ，要选择 使用满足要求的合适的润滑油。 为了降低压缩机活塞杆与填料的温度，操作人员 还要保证填料函内润滑油的注油量。 参考文献 【 1 李善春 ，李宝彦，等石油化工机器维护和检修技 术 M 北京 ：石油工业出版社，2 0 0 0 【 2 顾永泉 流体动密封【 M】 东营：石油大学出版社， 1 9 9 0 【 3 Ha n l o n P ，Mc Gr a w Hi 1 1 压缩机手册【 M 郝点， 译北京：中国石化出版社，2 0 ( 】 3 4 】 汪云瑛，张湘亚 泵和压缩机【 M】 北京：
